Нанотехнологии в машиностроении

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Нанотехнология - технология с атомарной точностью - обладает революционным потенциалом для решения важнейших научно-технических задач. Но нанотехнологию в связи с её мультдисциплинарностью некорректно выделять в отдельную отрасль, а необходимо принять её как новый уровень в развитии различных отраслей промышленности и народного хозяйства.

Рис.1. Наноподшипник

Придавая материалам и системам принципиально новые качества, нанотехнология может обеспечить прогресс практически во всех существующих областях деятельности (от автомобилестроения и компьютерной техники до принципиально новых методов лечения). Можно с уверенностью сказать, что в этом столетии нанотехнология станет стратегическим направлением развития науки и техники, что потребует фундаментальной перестройки существующих технологий производства промышленных изделий, лекарственных препаратов, систем вооружения и т.д.

Традиционные методы производства работают с порциями вещества, состоящими из миллиардов и более атомов. Это значит, что даже самые точные приборы, произведённые человеком до сих пор, на атомарном уровне выглядят как беспорядочная мешанина. Переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами -- это качественный скачок, обеспечивающий беспрецедентную точность и эффективность.

В 1959 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман в своём выступлении предсказал, что в будущем, научившись манипулировать отдельными атомами, человечество сможет синтезировать все, что угодно. В 1981 году появился первый инструмент для манипуляции атомами -- туннельный микроскоп, изобретённый учеными из IBM. Оказалось, что с помощью этого микроскопа можно не только «видеть» отдельные атомы, но и поднимать и перемещать их. Этим была продемонстрирована принципиальная возможность манипулировать атомами, а стало быть, непосредственно собирать из них, словно из кирпичиков, все, что угодно: любой предмет, любое вещество.

Нанотехнологии обычно делят на три направления:

· изготовление электронных схем, элементы которых состоят из нескольких атомов

· создание наномашин, то есть механизмов и роботов размером с молекулу

· непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них чего угодно

Благодаря стремительному прогрессу в таких технологиях, как оптика, нанолитография, механохимия и 3D прототипировние, нанореволюция может произойти уже в течение следующего десятилетия. Когда это случится, нанотехнология окажет огромное влияние практически на все области промышленности и общества.

В 1992 году, выступая перед комиссией Конгресса США, доктор Эрик Дрекслер нарисовал картину обозримого будущего, когда нанотехнологии преобразят наш мир. Будут ликвидированы голод, болезни, загрязнение окружающей среды и другие насущные проблемы, стоящие перед человечеством. Практически все, что необходимо для жизни и деятельности человека, может быть изготовлено молекулярными роботами непосредственно из атомов и молекул окружающей среды. Продукты питания -- из почвы и воздуха, точно так же, как их производят растения; кремниевые микросхемы -- из песка. Очевидно, что подобное производство будет куда более рентабельным и экологичным, чем нынешние промышленность и сельское хозяйство.



1. Наноинженерия - что это?

Чаще всего наноинженемрия (англ. nanoengineering) представляется как научно-практическая деятельность человека по конструированию, изготовлению и применению наноразмерных объектов или структур, а также объектов или структур, созданных методами нанотехнологий. В настоящее время термин «наноинженерия» широко применяется в научной и популярной литературе в связи со значительной общностью и специфичностью рассматривающихся в нем различных направлений практической деятельности человека. Наноинженерия поверхностей - это конструирование, изготовление нанообъектов только на рабочей поверхности любого изделия, т.е. формирование на поверхности так называемых полифункциональных наноструктурированных покрытий, позволяющих принципиально улучшать эксплуатационные свойства, надежность и безопасность всего изделия.

Наноинженерия поверхностей объективно является наиболее востребованной в современном машиностроении нанотехнологией, представляя по своей сути наиболее доступный, достаточно простой, универсальный метод получения перспективных наноматериалов. На практике различают следующие типы наноматериалов:

- нанопористые структуры;

- наночастицы;

- нанотрубки и нановолокна;

- нанодисперсии (коллоиды);

- наноструктурированные поверхности и пленки;

- нанокристаллы и нанокластеры.

Основные методы получения наноматериалов представлены на следующем рисунке.



Рис.2 Основные методы получения нанаматериалов

В настоящем реферате речь будет идти о так называемых поверхностных технологиях. Актуальность разработки и широкого внедрения этих технологий связана с тем, что в деталях, узлах и изделиях машиностроения, особенно судового машиностроения, подвергаются старению, например, изнашиваются в основном их поверхности на глубину не более чем на 1-2 мм. Следовательно, заданными свойствами, например, высокой износостойкостью ко всем видам изнашивания должны обладать в первую очередь рабочие поверхности, ограниченной толщины. Вся остальная конструкция должна соответствовать требованиям прочности и усталостной долговечности.

Классификация наноориентированных технологий обработки поверхностей и формирования на них вторичных структур показана ниже на рисунке.



Рис. 3 Классификация наноориентированных технологий обработки поверхности

Таким образом, под наноинженерией поверхностей, как правило, понимаются методы и технологии формирования полифункциональных покрытий поверхностей деталей с заданными или оптимальными прочностными, трибологическими, антикоррозионными и другими эксплуатационными свойствами.

Важнейшим для инженерии поверхностей, несомненно, являются технологии получения функциональных наноматериалов, как правило, это порошковые материалы. нанотехнология машиностроение покрытие

Методы, связанные с созданием на поверхности материалов, особенно металлических, модифицированных слоев, достаточно изучены, отработаны и широко применяются на практике. Многие из таких методов или их усовершенствованных вариантов могут рассматриваться как методы нанотехнологий, так как позволяют создавать наноразмерные и/или наноструктурные слои на поверхности материалов, узлов и деталей, а также композиционные материалы с нанокомпонентами, а в ряде случаев и наноматериалы в виде нано и микроизделий.

Данные методы можно условно подразделить на две большие группы - технологии, основанные на физических процессах и технологии, основанные на химических процессах. Среди всех наноориентированных технологий обработки поверхности на сегодняшний день наиболее перспективными являются ионно-вакуумные технологии нанесения покрытий (т.н. PVD и CVD технологии). Полученные такими способами слои отличаются высокой адгезией, а температурное воздействие на материал основы, как правило, минимальное. Анализ литературных источников, показывает, что размер кристаллитов в пленках, полученных по технологиям вакуумного нанесения, может достигать 1-3 нм.

Наиболее распространенные методы наноинженерии поверхностей представлены ниже.



Рис. 4 Типичная схема установки для нанесения покрытия PVD-методом: 1- материал для покрытия; 2- система перевода материала в паровую фазу; 3- поток испарившегося вещества; 4- подложка; 5- формирующееся покрытие; 6- система транспортировки материала покрытия в паровой фазе к подложке; 7- система фокусировки (и/или сканирования) потока вещества, осаждающегося на подложку; 8- система закрепления подложки и ее контролируемого перемещения; 9- система регулирования температуры нагрева подложки; 10- система управления и контроля технологическими параметрами (температура подложки, скорость перевода материала в паровую фазу, давление в камере, скорость осаждения покрытия, толщина покрытия и др.); 11- вакуумная камера; 12- система создания и поддержания высокого вакуума (система вакуумных задвижек, форвакуумных и высоковакуумных насосов, азотная ловушка и др.); 13- шлюзовая камера и система подачи и смены подложек; 14- смотровые контрольные окна; 15- система охлаждения



Рис. 5 Варианты метода термического испарения а) испаритель из металлического листа с защитным покрытием; б) металлический испаритель в виде лодочки; в) керамический тигель с внешним нагревательным элементом; г) испарение лазерным или электронным лучом.

Рис. 6 Основные принципиальные схемы катодного распыления: а) двухэлектродный метод, б) четырехэлектродный метод, 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки (в двухэлектродном методе также является анодом), 3- подложка, 4- зона плазмы тлеющего разряда, 5- мишень (распыляемый материал), 6-основной катод, 7- тепловой катод, 8- стабилизирующий электрод, 9- анод



Рис. 7 Схема магнетронного распыления: 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки (в двухэлектродном методе также является анодом), 3- подложка, 4- зона концентрации плазмы тлеющего разряда, 5- распыляемый материал, 6- катод, 7- анод кольцевой или рамочной формы, 8- магнит, 9- силовые линии магнитного поля

Рис. 8. Схема ионно-лучевого распыления: 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки, 3- подложка, 4- концентрированный поток ионов, 5- распыляемый материал, 6- держатель мишени, 7- ионно-лучевой источник, 8- магнитная система концентрации плазмы тлеющего разряда, 9- устройство фокусировки ионного луча, 10- зона концентрации плазмы тлеющего разряда, 11- поток частиц осаждающегося на подложку материала



Рис. 9 Схема метода ионного плакирования: 1- вакуумная камера, 2- держатель подложки - катод, 3- подложка, 4- зона плазмы тлеющего разряда, 5- испаряемый материал, 6- испаритель - анод, 7- лазер и устройства фокусировки и управления лазерным лучом, 8- лазерное излучение, 9- прозрачное для лазерного излучения окно

Рис. 10 Схема метода ионной имплантации: 1- источники ионов, 2- поток ионов, 3- систему анализа и сепарации ионов, 4- система фокусировки, 5- ускоритель ионов, 6- система стабилизации и сканирования ионного луча, 7- ионный луч, 8- вакуумная камера, 9- модифицируемый материал, 10- держатель модифицируемого материала (образцов)



Кроме отмеченных выше в машиностроении могут найти применение метод ионно-лучевое перемешивания, а также группа так называемых лазерных методов.

Наноструктурное состояние при практической реализации отмеченных методов достигается в тонких поверхностных слоях металлических материалов или изделий, полученных по традиционным технологиям, путем взаимодействия вещества с лазерным излучением высокой плотности. Лазерное легирование или лазерная имплантация связана с дополнительным введением в оплавляемый поверхностный слой легирующих веществ. Такое введение может проводиться как за счет предварительного нанесения тонкой пленки легирующего вещества на поверхность обрабатываемого материала, так и за счет инжекции частиц порошка (в том числе наночастиц) в струе газа в зону воздействия лазерного излучения. При этом легирование может преследовать две основные цели:

- создание на поверхности модифицированного слоя с химическим составом и, следовательно, свойствами, отличающимся от основного металла;

- облегчение формирования наноструктурного или аморфного состояния при затвердевании оплавленного поверхностного слоя.

В целом использование технологий формирования тонких пленок, основанной на методах физического или химического осаждения в вакууме, позволяет получать пленочные наноструктуры малой толщины (до нескольких атомных слоев). При такой толщине пленок подвижность осаждаемых на подложку атомов в плоскости осаждения может быть очень высокой. В результате быстрой диффузии по поверхности, иногда дополнительно стимулируемой ионным облучением, более полно реализуется склонность наноструктур к образованию кластеров. Начинают реализоваться процессы самоорганизации, приводящие к возникновению нанообъектов - нульмерных или одномерных кластеров наночастиц или нанопор (нанопористых структур). Такие сверхмалые по размерам скопления обладают достаточно выраженными квантовыми свойствами и в научной литературе для них были приняты названия «квантовые точки», «квантовые ямы», «квантовые проволоки» или «нанопроволоки». Однако такие технологии могут быть внедрены в реальное производство не ранее чем через 10 лет.

В настоящее время специалисты в качестве перспективных технологий использования нанопорошков, например, отмечают следующие:

- Технологии нанесения износа-коррозионностойких покрытий методом сверхзвукового «холодного» газодинамического напыления;

- Технологии микроплазменного напыления;

Получение наноструктурированных покрытий с высокой твердостью методом электроискровой обработки в водных растворах и использованием наноразмерных порошковых материалов;

- Технологии вакуумного осаждения наноразмерных порошковых материалов и т.д.

Основой наноинженерии поверхностей служат нанопорошки или нанокластеры.

Остановимся более подробно на анализе мирового производства нанопорошков, которые на сегодняшний день являются исключительно распространенной нанопродукцией. Наиболее распространенные методы получения нанопорошков представлены на следующем рисунке.



Рис. 11 Методы получения нанопорошков

Для примера на следующих рисунках приведены схемы получения нанопорошков различными методами.

2. Технологические особенности применения нанотехнологий в машиностроении

Нанотехнологии обещают целый ряд выгод от широкомасштабного внедрения в массовое производство автомобилей. Так буквально каждый узел или компонент в конструкции автомобиля может быть в значительной степени усовершенствован при помощи нанотехнологий.

Одним из наиболее перспективных и многообещающих направлений применения (в том числе коммерческого) достижений современной нанотехнологии является область наноматериалов и электронных устройств.

Уже существуют легко очищающиеся и водоотталкивающие покрытия для материалов, основанные на использовании диоксида кремния.

В форме наночастиц, это вещество приобретает новые свойства, в частности, высокую поверхностную энергию, что и позволяет частицам SiO2 при высыхании коллоидного раствора прочно присоединяться к различным поверхностям, в первую очередь к родственному им по составу стеклу, образуя, тем самым, сплошной слой наноразмерных выступов.

Покрытие из наночастиц кремнезема делает обработанную поверхность гидрофобный - на поверхности с плёнкой из SiO2 капля воды касается субстрата лишь немногими точками, что во много раз уменьшает Ван-дер-ваальсовые силы и позволяет силам поверхностного натяжения жидкости сжать каплю в шарик, который легко скатывается по наклоненному стеклу, унося с собой накопившуюся грязь.

В силу наноразмерной толщины, такие покрытия совершенно невидимы, а благодаря биоинертности кремнезема - безвредны для человека и окружающей среды. Они устойчивы к ультрафиолету и выдерживают температуры до 400 °C, а действие водоотталкивающего эффекта длится в течение 4 месяцев.

Что касается в прямом понимании самоочищающихся поверхностей, то такая технология основана на использовании диоксида титана. Принцип действия материала с таким покрытием заключается в следующем.

При попадании ультрафиолетового излучения на нанопокрытие из TiO2 происходит фотокаталитическая реакция. В ходе этой реакции испускаются отрицательно заряженные частицы - электроны, а на их месте остаются положительно заряженные дырки. Благодаря появлению комбинации плюсов и минусов на поверхности, покрытой катализатором, содержащиеся в воздухе молекулы воды превращаются в сильные окислители - радикалы гидроокиси (HO), которые в свою очередь окисляют и расщепляют грязь, а также нейтрализуют различные запахи и убивают микроорганизмы.

Кроме покрытий для стекол также разработаны и выпускаются составы с аналогичным действием для тканей, металла, пластика, керамики - и все они имеют потенциал для применения в автомобильной промышленности.

Из серийных моделей автомобилей гидрофобное покрытие наносится на боковые стекла Nissan Terrano II. Оно не создает полноценный водоотталкивающий эффект, но уменьшает пятно контакта поверхности с каплями воды, благодаря чему во время дождя стекло остается вполне прозрачным (см. рис. 5).

Рис. 12 Водоотталкивающий эффект гидрофобного покрытия

В настоящее время с использованием нанотехнологических подходов уже производятся высокоэффективные антифрикционные и противоизносные покрытия для автотранспорта.

При применении состав позволяет создавать модифицированный высокоуглеродистый железосиликатный защитный слой (МВЗС) толщиной 0,1-1,5 мм в областях интенсивного трения металлических поверхностей, что дает возможность избирательной компенсации износа мест трения и контакта деталей за счет образования в этих местах нового модифицированного поверхностного слоя. Использование РВС позволяет увеличивать ресурс работы узлов и деталей в 2-3 раза за счет замены плановых ремонтов предупредительной обработкой, снижает вибрации и шум, на 70-80% снижает токсичность выхлопа автомобиля без применения каких-либо других мер.

В аэрокосмической промышленности уже широко применяется семейство наноструктурированных аэрогелей. Так кремниевый аэрогель - лучший в мире твердый теплоизолятор, когда-либо обнаруженный или полученный. Для промышленности он представляет интерес, так как обладает высокой термической изоляцией - до 800° С (2,5-сантиметровый лист из силиконового аэрогеля надежно защищает руку человека от огня паяльной лампы) и акустической изоляцией - скорость звука при прохождении через аэрогель составляет лишь 100 м/сек. Развитие нанотехнологии позволит снизить себестоимость производства аэрогелей и сделает этот вид материалов доступным для применения в различных отраслях промышленности, в том числе автомобильной.

Большие перспективы имеются в улучшении электронных компонентов автомобиля с помощью нанотехнологий. Так МикроЭлектроМеханические системы (MEMS) уже расширяют стандартную технологию микроэлектроники, позволяет объединять в одной микросхеме элементы, обеспечивающие как механическое перемещение физических частей, так и электронов в электрической схеме.

Это позволяет вместо раздельного производства микроактуаторов и сенсоров, делать их в виде интегрированного в микросхему единого изделия. При этом для их производства используется уже апробированная традиционная технология производства интегральных микросхем и полупроводников.

Идею подвижного кремния (еще так называют MEMS) прекрасно иллюстрируют MEMS-акселерометры, которые уже широко используются в качестве сенсоров автомобильных подушек безопасности.

Вращающиеся акселерометры также используются для расширения возможностей антиблокировочных систем автомобиля (ABS). Кроме того, в автомобилях MEMS находят применение в датчиках продольных и поперечных ускорений, датчиках крена и т.д. Определяя положение кузова, они служат источником информации для работы различных электронных систем стабилизации и контроля курсовой устойчивости. Также MEMS представляют интерес для создания датчиков давления, температуры. В дорогих автомобилях количество датчиков и сенсоров на основе MEMS-технологии может составлять до нескольких десятков штук. Кроме измерения ускорений и детектирования перемещений, MEMS используется в системах GPS-навигации.

История развития MEMS насчитывает более сорока лет, но широкое практическое распространение эти системы получили только с середины 90-ых годов прошлого века. В настоящее время уже идет речь о развитии NEMS - NanoElectroMechanical Systems. В результате эволюции MEMS происходит уменьшение до нано размеров механических компонентов систем, снижается их масса, при этом увеличивается их резонансная частота и уменьшается константы взаимодействия, что сказывается на значительном повышении функциональности данного рода устройств. Точность измерения перемещения у лучших образцов таких устройств составляет 10 нанометров.

Развитие нанотехнологий обещает массовое распространение новых конструкционных материалов с порою уникальными свойствами и характеристиками. Наибольший интерес для инженеров и исследователей представляют углеродные материалы, из которых в настоящее время наиболее изученными, а также наиболее перспективными для целей практического применения являются углеродные нанотрубки (УНТ). Они обладают самым широким набором уникальных свойств, делающих их чрезвычайно перспективными для использования, в том числе в автомобилестроении.

Баллистический характер электропроводности УНТ (электроны движутся, как бы скользя по поверхности, не встречая препятствий) позволит создавать высокоэффективные электропроводящие узлы различных машин и механизмов, в том числе автомобилей.

Углеродные нанотрубки уже находят применение в конструкции современных автомобилей. Например, инженеры компании Toyota добавляет композиционный материал на основе УНТ в пластиковые бамперы и дверные панели своих автомобилей. Помимо повышения прочности и снижения массы, пластик со смолой из УНТ становится электропроводным, и его можно покрывать теми же красками с электрическим нанесением, что и металлические детали.

Электронные системы все более тесно интегрируются в конструкцию автомобиля. Существует тенденция дальнейшего расширения использования электроники в автомобилях с одновременным усовершенствованием самой полупроводниковой техники и появлении наноэлектроники и молекулярной электроники.

Нанотранзисторы, в том числе с нанотрубками в конструкции будут обладать рядом улучшенных характеристик и бесспорных преимуществ по сравнению с традиционными кремниевыми:

· Повышенное быстродействие;

· термо - и радиационная стойкость;

· миниатюрность;

· низкое энергопотребление и как следствие - незначительное тепловыделение при работе.

Большой интерес представляют нанотехнологии для создания перспективных автомобилей на топливных элементах.

С помощью нанотрубок предполагается решить проблему надежного и безопасного хранения водорода на борту транспортного средства, так как наряду с металлами и жидкостями углеродные нанотрубки могут заполняться газообразными веществами и связывать большое его количество.

Китайские и американские ученые совместно разработали нанолампочку, в которой нитью накаливания служит не вольфрамовая проволочка, а углеродные нанотрубки. Лампочка с УНТ более экономичная - при равном напряжении она испускает больше света.

Сейчас конструкторы «гибридных» автомобилей уже сталкиваются с потребностью в компактных, легких и высокоемких аккумуляторных батареях. Стоит напомнить, что ставшие традиционными кислотные аккумуляторы не годятся, в силу большой массы, громоздкости, экологической «небезупречности». С ростом парка гибридов, а также с массовым появлением водородных автомобилей на ТЭ потребность в автономных источниках хранения электрической энергии возрастет еще больше. Нанотехнологии предлагают ряд решений данной проблемы.

В силу того, что большинство автомобилей будущего будет работать на электрической тяге, гораздо больший интерес станет представлять использование фотоэлементов в конструкции автомобиля. В этом отношении нанотехнология позволяет создавать долговечные, ультратонкие и гибкие преобразователи солнечного света. Кроме того, использование нанотехнологических принципов позволит получать солнечные панели с КПД до 80-90%.

Кроме конструкции автомобиля, измениться структура самой автомобильной промышленности.

Так с появлением автоматизированной молекулярной нанотехнологии получит новое развитие уже наметившаяся тенденция - разделение функций разработки/проектирования автомобилей и их производства с окончательным закреплением приоритета за первой из перечисленных двух функций. Собственно в будущем автомобильные концерны будут только разрабатывать конструкции тех или иных моделей автомобилей для последующей продажи права на их производство методами поатомной сборки сторонним организациям.

Тем самым не автомобиль будет товаром, а информация об особенности его конструкции, что будет полностью соответствовать модели новой экономической формации, где единственным предметом обмена станет информация.

3. Состояние и перспективы развития нанотехнологий в Республике Казахстан

Уровень развития наноиндустрии в Казахстане можно охарактеризовать как начальный. Надо признать, что сегодня Казахстан значительно отстает от мировых нанотехнологических лидеров - США, Японии, стран Евросоюза, а также России по абсолютным показателям развития науки, технологий, степени промышленного освоения и коммерциализации разработок наноиндустрии. Поэтому для выхода на современный уровень Казахстану необходимо найти свои ниши в этой отрасли и грамотно применять трансферт технологий в рамках крупных международных проектов.

Анализ показывает, что в Казахстане имеются научные коллективы, выполняющие исследования и имеющие разработки в нанотехнологиях и смежных дисциплинах. Тем не менее, реализация Программы «Развитие нанонауки и нанотехнологий в Республике Казахстан на 2007-2009 гг.» показала, что в стране нет развитой инфраструктуры, обеспечивающей производство необходимых чистых исходных материалов, утилизацию вредных отходов и т.д. Все это тормозит как развитие фундаментальных и прикладных исследований, так и создание наноматериалов и нанотехнологий, малых инновационных компаний, призванных стать движущей силой Стратегии инновационного развития страны.

Хотя в последние годы в стране наблюдается усиление государственной поддержки в развитии науки и инноваций.

По инициативе Главы государства в 2010 г. В Казахстане открыт новый «Назарбаев-Университет», который призван превратить столицу в крупный научно-образовательный центр Евразии. В структуре университета создаются научные центры по перспективным отраслям развития современной науки. В рамках Международного междисциплинарного инструментального центра создаётся ряд лабораторий - хемометрии, инфракрасной спектрометрии, биокерамики, биостимуляторов роста и другие. В нем будут проводиться исследования в области структуры и свойств металлов, диэлектриков, полимеров, полупроводников, а также нанотехнологий.

По поручению Президента РК для интеграции науки и высшего образования в регионах страны открыты 5 национальных научных и 15 университетских лабораторий инженерного профиля по приоритетным направлениям научно-технологического развития.

Как известно с принятием нового закона «О науке» значительно увеличиваются расходы на науку через три формы финансирования. Постановлением Правительства РК утвержден перечень субъектов базового финансирования, которое позволит эффективно использовать современное оборудование и укрепить штат научных центров высококвалифицированными специалистами.

Национальная научная лаборатория коллективного пользования при ВКГУ имени Сарсена Аманжолова открыта 8 октября 2009 года.

Лаборатория оснащена современным спектрометром ядерно-магнитного резонанса Avance-III 500 производства компании Bruker (Германия), рентгеновскими дифрактометрами, электронными и оптическими микроскопами, вакуумным постом и другим технологическим оборудованием, позволяющим проводить исследования структурно-фазового состояния и свойств материалов. При лаборатории создана опытно-промышленная площадка.

При поддержке Фонда Первого Президента РК разработаны и изготовлены гидравлический пресс, штамповые оснастки для 3D-осадки и равноканального углового прессования. С использованием которых значительно повышены механические свойства алюминия, в частности, твердость в 3 раза, предел текучести в 18 раз, предел прочности в 5 раз, твердость титана в 1,5 раза.

Однако все же остро стоит вопрос плановой подготовки квалифицированных кадров по проблемам современной нанотехнологии на базе ведущих научных центров и высших учебных заведений Республики, ближнего и дальнего зарубежья. Данный вопрос может быть решен выделением Министерством образования и науки РК целевых грантов и кредитов на подготовку специалистов в области нанотехнологии в высших учебных заведениях и научных центрах стран СНГ и зарубежья, дополнительных грантов для ВУЗов республики, стимулирование прохождение научной стажировки за рубежом по нанотехнологиям молодыми учеными, в том числе через программу «Болашак».

Инновационная инфраструктура страны уже включает 5 институтов развития, 9 технопарков и 15 национальных научных лабораторий и лабораторий инженерного профиля. Созданы 2 конструкторских бюро транспортного машиностроения и горно-металлургического оборудования, еще 3 появятся в ближайшее время.

Реализуется проект «Коммерциализация технологий», по итогам первого этапа которого определены победители по 5 группам старших научных сотрудников и 5 группам младших.

Планируется, что в республике к 2016 году объем бюджетных средств на науку увеличится до уровня 1 процента ВВП.

Однако имеются и слабые стороны в развитии нанотехнологий в Казахстане, в частности:

· отсутствует традиция по созданию и развитию нанотехнологии;

· нет Координирующего Центра для реализации государственной политики в сфере нанотехнологий, развития инновационной инфраструктуры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания перспективных нанотехнологий и наноиндустрии;

· недостаточное финансирование научно-исследовательских и опытно- конструкторских разработок в области нанотехнологий;

· отсутствие долгосрочных научно-технических программ; лаборатории практически не обеспечены современным технологическим оборудованием для получения наноматериалов;

· дефицит квалифицированных кадров для обеспечения отрасли; нет постоянно действующих масштабных нанотехнологических форумов и конференций мирового уровня;

· низкий уровень информационного обеспечения по вопросам нанотехнологий, отсутствие информаций на государственном языке;

· нет единой терминологии по нанотехнологиям и наноматериалам, регламентирующей нормативную и методическую базу для проведения измерений, испытаний и контроля, устанавливающей критерии соответствия, качества и безопасности нанообъектов, наноматериалов и иной нанотехнологической продукции;

· низкая доля производства высокотехнологичных и наукоемких видов продукции.

Главной причиной проблем развития технологий является пренебрежение, с которым человечество в течение нескольких последних десятилетий относилось к стержню своей цивилизации - науке. Фундаментальная наука - цивилизационный ресурс, наработанный прошлыми поколениями, растрачивался в погоне за прибылью. Казахстану сейчас жизненно необходим инновационный прорыв в нанотехнологии - новые заводы, цеха и фабрики, производящие наукоемкую продукцию на основе отечественных разработок.

Казахстан реально обладает огромным интеллектуальным потенциалом, одаренной, талантливой молодежью. Нужно его правильно использовать, делая ставку на молодых ученых. Но для этого нужно, прежде всего, предотвратить «утечку мозгов», которая наблюдается в казахстанской науке. Необходимо создать условия для работы и возможности для творческой самореализации молодых ученых.

Научно-технические программы в области нанотехнологий должны быть направлены на освоение современных методов синтеза наноструктур, создание технологических комплексов синтеза и необходимой инфраструктуры, подготовку кадров, владеющих данной технологией, освоение современной технологической культуры, что позволит в дальнейшем создавать свои технологии в самых различных областях.

Сейчас принимаются меры по стимулированию создания центров коммерциализации и инновационно-производственных предприятий в вузах и научных организациях с целью развития тесных связей отечественной науки с производством. Однако в условиях перехода экономики на инновационный путь развития наблюдается всё еще слабая заинтересованность промышленности к научным разработкам в области нанотехнологий. В результате потребность отечественного рынка в нанотехнологической продукции во многих социально значимых сферах (агрокомплекс, медицина, энергетика, экология, ЖКХ и др.) значительно (в десятки раз) превышает объемы ее реального производства.

Для повышения эффективности и целенаправленности акцент следует сделать на развитии нанотехнологических разработок в приоритетных инновационных кластерах:

· - ядерно-энергетический комплекс;

· - агропромышленный (нанобиотехнологический) кластер;

· - медицина и фармацевтика;

· - экологически чистые и высокоэффективные системы солнечной и водородной энергетики, а также энергосбережения;

· - микро-, наноэлектроника и информационные технологии;

· - транспорт и машиностроение;

· - строительная, горно-металлургическая отрасли, нефтехимическая отрасль;

· - разработка методов и аппаратных средств для синтеза и анализа наноматериалов и наноструктур.

Значительную лепту в решении научно-технических задач в сфере нанотехнологий призваны внести «Назарбаев-Университет», национальные лаборатории, в частности национальная нанотехнологическая лаборатория на базе КазНУ имени аль-Фараби, Лаборатория Физико-технического института, Лаборатории инженерного профиля при ВКГТУ имени Д.Серикбаева, ТарГУ им. М. Дулати, ЮКГУ имени М.Ауэзова, КазНУ имени аль-Фараби, КазНТУ имени К.Сатпаева, АО «ЦНЗМО», а также Национальная научная лаборатория при Восточно-Казахстанском государственном университете имени С. Аманжолова.

Целенаправленное и скоординированное проведение на базе имеющегося задела работ в области нанотехнологий должно стать основой создания и интеграции технологического комплекса Казахстана в международный рынок высоких технологий, надежного обеспечения конкурентоспособности отечественной продукции к 2020 г., т.е. в долгосрочной перспективе.

Формирование и реализация активной государственной политики в области нанотехнологий позволит с высокой эффективностью использовать интеллектуальный и научно-технический потенциал страны в интересах развития науки, производства, образования и обеспечения национальной безопасности Казахстана. Принятые государством меры по повышению финансирования науки, обновлению инфраструктуры научных организаций, увеличению ежегодного госзаказа на подготовку магистров и докторов PhD призваны изменить ситуацию в системе науки и вернуть туда молодежь. Важную роль в этом процессе должны сыграть университеты.



Заключение

Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нанонауки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.

Главная надежда нанотехнологий связана с тем, что удастся двигаться не «сверху вниз», а «снизу вверх», т.е. выращивать наноструктуры, наноматериалы, нанообъекты. Нанотехнологии требуют больших объемов материалов и собирать их атом за атомом невозможно. Поэтому есть два основных ключа к нанотехнологиям:

1. Нужно организовать процессы так, чтобы наноструктуры собирались сами, образуя то, чего бы нам хотелось. Другими словами, это процессы самоорганизации, самоформирования и самосборки.

2. Решение многих проблем нанотехнологий требует совместной деятельности физиков, химиков, математиков, биологов -- общего языка, понятий и моделей -- междисциплинарного подхода. Кроме того, именно широкий междисциплинарный взгляд дает понимание того, чего в принципе возможно достичь, чего хотелось бы достичь и -- главное -- чего хотелось бы избежать. Здесь первостепенное значение приобретает проектирование будущего, в котором технологические, экономические, политические, военные и социальные проблемы оказываются значительно более взаимосвязаны, чем ныне. Это обусловлено совершенно новыми технологическими возможностями.

В самом деле, чтобы нанотехнологии не остались научной фантастикой, они должны найти свое место в экономике, включиться в существующие экономические циклы или создать новые. Это требует активного мониторинга и сопровождения на всех этапах от лаборатории до рынка. Это качественно новый уровень управления, позволяющий решать организационно-экономические проблемы невиданного уровня сложности.



Список использованной литературы

1. Введение в нанотехнологию: В. И. Марголин, В. А. Жабрев, Г. Н. Лукьянов, В. А. Тупик -- Москва, Лань, 2012 г.- 464 с.

2. Занимательные нанотехнологии: М. М. Алфимова -- Москва, Бином. Лаборатория знани, 2010 г.- 96 с.

3. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии: А. И. Гусев -- Санкт-Петербург, ФИЗМАТЛИТ, 2007 г.- 416 с.

4. Нанотехнологии без тайн: Л. Уильямс, У. Адамс -- Санкт-Петербург, Эксмо, 2009 г.- 368 с.

5. Нанотехнологии в биологии. 10-11 классы: Р. А. Зиновкин -- Москва, ДРОФА, 2010 г.- 128 с.

6. Нанотехнологии в учебном процессе: Е. В. Чувелева, А. В. Козлова -- Санкт-Петербург, Центр "Педагогический по, 2011 г.- 128 с.

7. Нанотехнологии в электронике. Выпуск 2: -- Москва, Техносфера, 2013 г.- 688 с.

8. Нанотехнологии и молекулярные компьютеры: Н. Г. Рамбиди -- Москва, ФИЗМАТЛИТ, 2007 г.- 256 с.

9. Нанотехнологии, метрология, стандартизация и сертификация в терминах и определениях: -- Санкт-Петербург, Техносфера, 2009 г.- 136 с.

10. Нанотехнологии: настоящее и будущее: Т. Г. Черненко -- Москва, Балтийская книжная компа, 2011 г.- 80 с.

Размещено на Allbest.ru

...